傅建根 金振锋 韩剑飞

【摘 要】干燥过程是制备PAN基碳纤维的重要环节，且控制其内部温度和纤维湿度尤为关键。本文利用有限元分析对非接触干燥炉内气流流场进行模拟，得到一个相对较为合理的流场，对于干燥炉内结构设计起到了积极作用。

【关键词】非接触干燥炉；流场；有限元分析；结构改进

简介

碳纤维是一种含碳量在90%以上的新型特种纤维。除了具有一般碳素材料耐高温、耐摩擦、导电、导热、耐腐蚀等特性外，还具备纺织纤维各向异性、柔软可加工性，轴向强度和模量高等优点[1]。随着市场应用的不断扩大及国家政策扶持力度的不断加大，碳纤维产业受到了前所未有的关注，从最初的航空航天领域，到汽车、船舶行业，再到建筑、风电叶片、休闲体育行业，甚至到高铁、电子电气市场，“碳纤维”无疑成为了时下各个行业讨论的热词。

目前普遍采用的碳纤维生产方法主要是将PAN基原丝通过预氧化、碳化等步骤后，分子间形成乱层石墨结构，再经过表面处理、上浆、热干燥、非接触干燥等环节制得碳纤维产品。非接触干燥主要对上浆后纤维进行干燥，湿度控制在0.1%以下，对后续纤维在复合材料的应用起着重要作用。

我们利用目前主流的CFD商用软件——Ansys CFX对干燥炉内气体流动情况进行数值模拟，在此基础上对设计新型卧式非接触干燥炉，提高纤维质量一致性，利用卧式炉破浪型的气流交流方式，更好干燥纤维。

一、设计输入：

类型：非接触干燥，卧式，单通道

-丝束：24K，330束

-纤维：1.66g/m（单束）

-宽度：3000mm

-速度：10-12m/min

-水含量：入口15%，出口小于0.1%

-上浆剂：环氧树脂

-干燥方式：热风循环炉（电加热）

-操作温度：最高300度（常规240度）

-加热腔长度：13m

-温区：4区

二、分析模型介绍

本次分析截取了干燥炉炉体1/4区域作为分析对象，如图2.1；

边界条件：（如图2.1）

1、进口：设置与外界联通边界（opening），外界空气温度25℃；

2、出口：设置与外界联通边界（opening），外界空气温度25℃；

3、风机：设定风机区域为旋转域，使之能提供走丝通道内大约2m/s的 风速；

4、热源作用面：在交界面上设置热源参数，模拟加热器的效果，控制炉 内目标温度为280℃；

5、本次分析先未考慮新风补充与废气排放，后续可以加入该项；

6、本次分析未考虑常温含水丝束对炉体温度场的影响；

7、本次分析主要用于考察干燥炉内风速分布的均匀性与温度分布的均匀性，以及炉口处与外界空气的关系（吸入情况与溢出情况）；

三、分析结果

3.1 速度分布结果

3.2 温度分布结果

由于模型中的热源作用面用来模拟电加热器的效果，该面的温度不真实（偏高），为不影响对走丝通道的温度分布进行考察，故下面温度的分布云图只截取了走丝通道中的。

从图3.2.1-3.2.2中均可以看出，进丝口有冷空气被吸入，造成对炉体温度的降低。

（作者单位：浙江精功科技有限公司精功研究院）